實(shí)驗(yàn)室“互聯(lián)網(wǎng)+檢測(cè)”模型與技術(shù)的構(gòu)建探索

引 言

隨著我國(guó)政府對(duì)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重視，對(duì)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算發(fā)展戰(zhàn)略的部署關(guān)注越來(lái)越多。目前，國(guó)務(wù)院發(fā)布了《國(guó)務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)+行動(dòng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》等系列文件， 而這些文件也成為實(shí)施互聯(lián)網(wǎng)+行動(dòng)計(jì)劃的綱領(lǐng)性文件， 文件提出要推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)+，明確了促進(jìn)創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新、協(xié)同制造、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等若干能形成新產(chǎn)業(yè)模式的重點(diǎn)領(lǐng)域發(fā)展目標(biāo)任務(wù)， 并明確了相關(guān)支持措施。當(dāng)前已出現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)+教育互聯(lián)網(wǎng)+ 金融互聯(lián)網(wǎng)+環(huán)?；ヂ?lián)網(wǎng)+文物保護(hù)等項(xiàng)目[1]， 但互聯(lián)網(wǎng)+檢測(cè)方面相對(duì)較少，且技術(shù)不完善，發(fā)展空間較大。

目前，很多實(shí)驗(yàn)室都運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室軟件系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室管 理，擁有自己的互聯(lián)網(wǎng)公共平臺(tái)，使用的檢測(cè)設(shè)備也都具有數(shù) 據(jù)通信功能。但由于檢測(cè)設(shè)備自帶的通信技術(shù)、通信協(xié)議、文 件格式、數(shù)據(jù)格式等不統(tǒng)一，使得“互聯(lián)網(wǎng) + 檢測(cè)”的“最后 一公里”無(wú)法打通。這已成為實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng) + 檢測(cè)”的瓶頸。 “互聯(lián)網(wǎng) + 檢測(cè)”將互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)物聯(lián)、 傳感、通訊等技術(shù)構(gòu)建了智能化實(shí)驗(yàn)室，使得實(shí)驗(yàn)室具備業(yè)務(wù) 管理智能便捷、檢測(cè)數(shù)據(jù)互通互聯(lián)、實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)程可 控、檢測(cè)工作遠(yuǎn)程實(shí)施、檢測(cè)報(bào)告自動(dòng)存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程調(diào)取等功能。 因此，必須通過(guò)智能化技術(shù)將樣品管理、標(biāo)準(zhǔn)資料、設(shè)備耗材、 數(shù)據(jù)提取、運(yùn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析等檢測(cè)過(guò)程中的工作要素通 過(guò)數(shù)字化方式串聯(lián)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)工作要素與互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)互通[2]。

1“互聯(lián)網(wǎng) + 檢測(cè)”的功能需求與模型

利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)、Internet 網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合射頻識(shí)別、圖像識(shí) 別、傳感識(shí)別、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)提取。同時(shí)，通過(guò) 組合使用各種通信技術(shù)，將檢測(cè)數(shù)據(jù)的檢測(cè)信息和各監(jiān)控設(shè) 備的監(jiān)控信息傳送到數(shù)據(jù)庫(kù)。完成實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行、檢測(cè)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)、 產(chǎn)品檢測(cè)結(jié)果等各類(lèi)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，通過(guò)互聯(lián)互通操作傳 輸數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)在云數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)樣品、標(biāo)準(zhǔn)資料、 設(shè)備耗材、數(shù)據(jù)提取、運(yùn)行監(jiān)控、報(bào)告形成、數(shù)據(jù)分析等工 作的智能化管理。同時(shí)，通過(guò)計(jì)算機(jī)訪問(wèn)受限技術(shù)可遠(yuǎn)程讀 取實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)客戶(hù)登錄系統(tǒng)時(shí)，從實(shí)驗(yàn)室獲取訪問(wèn)權(quán) 限，可在數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取所需產(chǎn)品的檢測(cè)數(shù)據(jù)和檢測(cè)報(bào)告?？?戶(hù)也能夠?qū)⒎答佇畔⒋鎯?chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，而實(shí)驗(yàn)室可通過(guò)訪問(wèn)權(quán) 限獲取反饋信息，完善檢測(cè)需求服務(wù)。“互聯(lián)網(wǎng) + 檢測(cè)”功能 的主要需求如圖 1 所示?！盎ヂ?lián)網(wǎng) + 檢測(cè)”模型如圖 2 所示。

2 實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行狀態(tài)多參數(shù)監(jiān)控技術(shù)

借助現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)、Internet 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將檢 測(cè)設(shè)備的檢測(cè)信息和各監(jiān)控設(shè)備的監(jiān)控信息傳送到云數(shù)據(jù)庫(kù)， 以確保實(shí)驗(yàn)員和客戶(hù)可實(shí)時(shí)查看每一臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行狀況，并檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境狀況，使實(shí)驗(yàn)室管理更加規(guī)范。以機(jī)電實(shí)驗(yàn) 室電熱水器能效檢測(cè)裝置為例分析多參數(shù)監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)室多參 數(shù)監(jiān)控模型的主要運(yùn)作模式如圖 3 所示。

實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以 C8051F040 單片機(jī)為核心，由傳感器、 信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)處理電路、鍵盤(pán)、通信接口等組成。在 對(duì)電熱水器進(jìn)行能效檢測(cè)時(shí)，通過(guò)溫度傳感器、功率傳感器、 流量傳感器等對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，由單片 機(jī)通信接口電路將數(shù)據(jù)傳輸至 CAN 總線（CAN 總線作為目前 最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，擁有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、性?xún)r(jià)比 突出等優(yōu)點(diǎn)）[3]。實(shí)驗(yàn)室中的其他設(shè)備以相同原理分別組成智 能監(jiān)控系統(tǒng) 2、智能監(jiān)控系統(tǒng) 3 等。最后，實(shí)驗(yàn)室的所有監(jiān)測(cè) 數(shù)據(jù)都將上傳至 CAN-Ethernet 總線（實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng) CAN 總線網(wǎng)絡(luò) 和以太網(wǎng)通信之間的轉(zhuǎn)換），最終通過(guò)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān) 控計(jì)算機(jī)完成實(shí)驗(yàn)室多參數(shù)的采集。CAN 總線和以太網(wǎng)通信 穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確無(wú)誤，監(jiān)控中心的監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以 實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲得現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù) [4]。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室數(shù) 據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)，而 CAN 總線和以太網(wǎng)通信準(zhǔn)確可靠的 特性則保證了實(shí)驗(yàn)室多參數(shù)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸，同時(shí)實(shí)驗(yàn)室人 員可以通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)隨時(shí)獲取當(dāng)前及之前的實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)， 方便實(shí)時(shí)監(jiān)控和后期檢查。

3 實(shí)驗(yàn)室智能管控的實(shí)施方法與技術(shù)

實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的檢測(cè)工作涉及樣品、設(shè)備、檢具、夾具、 耗材等 [4]，因此，要實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng) + 檢測(cè)”就需要實(shí)驗(yàn)室與這 些物品建立起數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交換的互聯(lián)互通系統(tǒng)，即實(shí)驗(yàn)室需實(shí) 現(xiàn)智能管控，使得在檢測(cè)過(guò)程各環(huán)節(jié)的物品能在檢測(cè)工作中 進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)交換。而實(shí)驗(yàn)室可以更多的采用射頻識(shí)別技術(shù) 和傳感識(shí)別技術(shù)。

在射頻識(shí)別技術(shù)中，RFID 標(biāo)簽是主要的數(shù)據(jù)載體，通 過(guò)分布式 RFID 的應(yīng)用及與 Internet 技術(shù)的連接，可實(shí)現(xiàn)與貼 標(biāo)物品的數(shù)據(jù)交換。實(shí)驗(yàn)室可依托自身已有的實(shí)驗(yàn)室管理軟 件平臺(tái)，在內(nèi)部建立 EPC 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該架構(gòu)主要由數(shù)據(jù)庫(kù)、 應(yīng)用軟件、讀寫(xiě)設(shè)備以及電子標(biāo)簽等部分組成，如圖 4 所示。 實(shí)驗(yàn)室將樣品管理信息寫(xiě)入 RFID 標(biāo)簽，通過(guò)固定式讀寫(xiě)器或 手持讀寫(xiě)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)室管理軟件聯(lián)通，對(duì)樣品流轉(zhuǎn)狀態(tài)、檢 測(cè)進(jìn)程、檢測(cè)狀態(tài)等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別，提高樣品管理和流程管 理的效率。將設(shè)備檢具的管理信息寫(xiě)入 RFID 標(biāo)簽，通過(guò)固定 式讀寫(xiě)器與實(shí)驗(yàn)室管理軟件的互聯(lián)，對(duì)設(shè)備檢具的放置位置、 計(jì)量周期、維護(hù)周期、保養(yǎng)要求等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別與提示，提 高設(shè)備管理的效率和準(zhǔn)確性。將耗材和檢具的管理信息寫(xiě)入 RFID 標(biāo)簽，通過(guò)固定或手持式讀寫(xiě)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)耗材和檢 具的智能化管理。甚至可在實(shí)驗(yàn)室工作服內(nèi)放置 RFID 標(biāo)簽， 通過(guò)固定式讀寫(xiě)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)工作人員活動(dòng)情況的日常管理 [5]。

隨著傳感識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，新型傳感器正向著智能化、 小型化、集成化、多功能化等方向發(fā)展，傳感器在種類(lèi)上已 由過(guò)去的少數(shù)品種擴(kuò)展到光敏、熱敏、力敏、電壓敏、磁敏、 氣敏、濕敏、聲敏、射線敏、離子敏、生物敏等，使得傳感識(shí) 別技術(shù)在國(guó)防、工業(yè)等領(lǐng)域得到成熟運(yùn)用。智能傳感器技術(shù) 的飛速發(fā)展為實(shí)驗(yàn)室實(shí)施智能管控提供了更多可選的技術(shù)方 案。實(shí)驗(yàn)室可組合運(yùn)用上述傳感器技術(shù)，依托自身已有的實(shí) 驗(yàn)室管理軟件，借助現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)、Internet 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)實(shí) 驗(yàn)室設(shè)備參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將采集的參數(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸 到中央控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)的集中管理。中央控制系統(tǒng)采 用圖形化界面的方式，將前端傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行分析、 整理，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)室畫(huà)面實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室多參數(shù)監(jiān)控和運(yùn)行狀 態(tài)的互通互聯(lián)。也可對(duì)實(shí)驗(yàn)室溫度、濕度、電、水、氣等運(yùn) 行參數(shù)進(jìn)行智能控制，提高運(yùn)行效益。

4 檢測(cè)數(shù)據(jù)提取的實(shí)施方法與技術(shù)

目前，很多實(shí)驗(yàn)室都已開(kāi)發(fā)并運(yùn)用了實(shí)驗(yàn)室軟件系統(tǒng)，并 建立了自己的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)庫(kù)，且其配置的多數(shù)檢測(cè)設(shè)備都具 有數(shù)據(jù)通信功能。但由于檢測(cè)設(shè)備的通信協(xié)議與技術(shù)、輸出文 件格式與內(nèi)容不統(tǒng)一，導(dǎo)致無(wú)法自動(dòng)將檢測(cè)數(shù)據(jù)提取至實(shí)驗(yàn) 室數(shù)據(jù)庫(kù)，而這已成為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室“互聯(lián)網(wǎng) + 檢測(cè)”的瓶頸。 實(shí)驗(yàn)室有望通過(guò)運(yùn)用圖像識(shí)別技術(shù)、傳感識(shí)別技術(shù)、Excel 軟件技術(shù)突破該瓶頸。

圖像識(shí)別技術(shù)利用計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)推理的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)形 狀、模式、曲線、數(shù)字的圖像識(shí)別與信息提取。在實(shí)驗(yàn)室檢 測(cè)過(guò)程中，由于指針式電壓表、液壓表、百分表等檢測(cè)設(shè)備產(chǎn) 生的數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，因此常由人工讀取數(shù)據(jù)。對(duì)于 這種現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)室可采用圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行處理。運(yùn)用 CCD 數(shù)據(jù)采集代替人工數(shù)據(jù)提取，由 CCD 采集指針指示數(shù)據(jù)、指 示柱顯示數(shù)據(jù)等示值圖像，通過(guò)軟件分析提取圖像預(yù)處理、 二值化、細(xì)化特征點(diǎn)，然后形成電子化數(shù)據(jù)輸出，具體如圖 5 所示。圖像識(shí)別技術(shù)在人工讀數(shù)環(huán)節(jié)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了人工讀數(shù) 環(huán)節(jié)檢測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取，而與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)庫(kù)的融合，使得該 類(lèi)檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通。同時(shí)，可 結(jié)合軟件系統(tǒng)預(yù)設(shè)的限值對(duì)提取出的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果自動(dòng)判定， 降低人為錯(cuò)誤，提高檢測(cè)效率。

目前，實(shí)驗(yàn)室配置的先進(jìn)檢測(cè)設(shè)備通常自帶檢測(cè)數(shù)據(jù)輸 出功能。但由于各檢測(cè)設(shè)備自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)并不統(tǒng)一，導(dǎo)致 實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)法與檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)直接對(duì)接，輸出的 檢測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法直接進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。因此實(shí)驗(yàn)室需要 對(duì)檢測(cè)設(shè)備輸出的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，方可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的 自動(dòng)提取。雖然檢測(cè)設(shè)備自帶的檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)不同，結(jié)果 輸出為圖形、曲線等，但它們可以將數(shù)據(jù)以類(lèi)似 Excel 表格的 形式導(dǎo)出電子數(shù)據(jù)。因此，在該過(guò)程中可使用 Excel 軟件技術(shù)， 對(duì)設(shè)備輸出的實(shí)驗(yàn)室所需數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注，通過(guò)軟件對(duì)標(biāo)注的 數(shù)據(jù)自動(dòng)提取，并將自動(dòng)提取的數(shù)據(jù)按照實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu) 進(jìn)行自動(dòng)錄入。實(shí)現(xiàn)自帶檢測(cè)數(shù)據(jù)輸出功能的檢測(cè)設(shè)備與實(shí)驗(yàn) 室數(shù)據(jù)庫(kù)的無(wú)縫對(duì)接。

此外，可將傳感識(shí)別技術(shù)直接用于檢測(cè)。如前文所述， 由于傳感識(shí)別技術(shù)的迅猛發(fā)展，新型傳感器不僅向著集成化、 智能化方向發(fā)展，也向著種類(lèi)多樣化的方向發(fā)展，同時(shí)其精度 也越來(lái)越高。因此，在精度滿(mǎn)足檢測(cè)工作要求的情況下，可運(yùn) 用溫度、電流、振動(dòng)、濕度、壓力、位置等智能化傳感器提 取檢測(cè)數(shù)據(jù)，使其可直接服務(wù)于檢測(cè)工作。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室軟件 平臺(tái)，將采集到的數(shù)據(jù)匯入實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。

5 檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)施方法與技術(shù)

目前，很多實(shí)驗(yàn)室受網(wǎng)線布局等硬件條件的限制，無(wú)法 有效保障檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，因此實(shí)驗(yàn)室“互聯(lián)網(wǎng) + 檢測(cè)”應(yīng)運(yùn)而生。可結(jié)合實(shí)驗(yàn)室布局情況建立多種無(wú)線形式的檢測(cè) 數(shù)據(jù)傳輸方式 [6]。

使用有源或無(wú)源 RFID 標(biāo)簽，通過(guò) UHF 頻段與 RFID 固 定式或手持式讀寫(xiě)器進(jìn)行無(wú)線連接，讀寫(xiě)器與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)庫(kù) 進(jìn)行有線或無(wú)線連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。在設(shè)備處設(shè)置 無(wú)線路由器，使用 WiFi 技術(shù)將設(shè)備的有線信號(hào)轉(zhuǎn)化為無(wú)線信 號(hào)，然后通過(guò) UHF、ISM 等頻段與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行無(wú)線連 接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通?？稍谠O(shè)備中設(shè)置藍(lán)牙，采用無(wú)連接 （ACL）方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，形成短距離無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)與實(shí) 驗(yàn)室數(shù)據(jù)庫(kù)的連接 [7]?；ヂ?lián)互通示意圖如圖 6 所示。

6 結(jié) 語(yǔ)

“互聯(lián)網(wǎng) + 檢測(cè)”的內(nèi)涵涉及實(shí)驗(yàn)室智能管控、檢測(cè)數(shù) 據(jù)提取、報(bào)告自動(dòng)生成、遠(yuǎn)程檢測(cè)實(shí)施、客戶(hù)需求定制服務(wù)、 大數(shù)據(jù)分析等內(nèi)容，但最關(guān)鍵的是數(shù)據(jù)提取和互聯(lián)互通。因 此，在“互聯(lián)網(wǎng) + 檢測(cè)”的推廣中應(yīng)重點(diǎn)對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)的提取 技術(shù)方法進(jìn)行研究構(gòu)建，并應(yīng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)際現(xiàn)狀研究通信 技術(shù)的組合運(yùn)用?！盎ヂ?lián)網(wǎng) + 檢測(cè)”是未來(lái)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨 勢(shì)，所以必須對(duì)數(shù)據(jù)提取技術(shù)和通信技術(shù)進(jìn)行研究并取得突 破，才能為“互聯(lián)網(wǎng) + 檢測(cè)”的推廣應(yīng)用以及后續(xù)檢測(cè)需求定 制化服務(wù)和檢測(cè)數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)分析等提供技術(shù)基礎(chǔ)。